深冷處理消除鋁合金殘余應(yīng)力的研究

劉子建，張 狀

（1.遼寧工程職業(yè)學(xué)院 遼寧 鐵嶺 112000；2.北京理工大學(xué) 北京 100081）

0 前言

鋁及鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)良性能，且易于加工、儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但鋁合金構(gòu)件在快速淬火過(guò)程中獲得高強(qiáng)度高韌性的同時(shí)．造成表面與內(nèi)部巨大的溫差，從而在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，在后續(xù)機(jī)械加工中，由于內(nèi)應(yīng)力的作用會(huì)使再加工后的零件發(fā)生變形，影響零件的尺寸精度，限制了鋁合金的應(yīng)用范圍[2]。本文通過(guò)深冷處理對(duì)鋁合金性能影響的研究，找出消除鋁合金殘余應(yīng)力的有效方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制作

試件材料：7050鋁合金，截取尺寸：30mm×30mm×45mm。成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)：Zn6.20，Mg2.10，Cu2.00，Mn 0.10，F(xiàn)e 0.15，Si0.12，Cr＜0.04，Ni 0.05，Ti 0.06，其余為Al。

1.2 試驗(yàn)方法

先將試件在500℃左右空氣循環(huán)爐中固溶處理2h，淬入25℃的靜水中，然后放入溫度為-196℃液氮深冷箱中進(jìn)行深冷處理，冷卻10～40min左右，迅速取出放在高溫有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行上坡淬火。加熱時(shí)間約10～20 min，深冷處理結(jié)束后馬上進(jìn)行分級(jí)時(shí)效處理，最后于溫度為20℃左右的室溫下空冷，如此反復(fù)幾次，如圖1。

圖1 鋁合金的深冷處理工藝

2 工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響

使用X350A型X射線殘余應(yīng)力分析儀進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，測(cè)量試件上下表面中心點(diǎn)處的殘余應(yīng)力。在X350A型X射線殘余應(yīng)力分析儀上，測(cè)量每個(gè)試件上下表面中心點(diǎn)處的殘余應(yīng)力。用全相關(guān)函數(shù)法定峰值，采用與設(shè)備配套的殘余應(yīng)力分析軟件自動(dòng)處理，直接輸出結(jié)果。

2.1 溫度對(duì)消除應(yīng)力的影響

結(jié)果表明：鋁合金試件上殘余應(yīng)力在-196℃液氮中隨著保溫時(shí)間的增加而下降，但30min以后應(yīng)力消除效果隨時(shí)間的增加維持不變；而試件在高溫有機(jī)介質(zhì)中隨著保溫時(shí)間的增加，應(yīng)力呈現(xiàn)先大幅下降而后又緩慢上升的變化規(guī)律。深冷處理時(shí)急熱溫度差愈大，應(yīng)力消除效果愈好。因此，為得到最佳殘余應(yīng)力消除效果，深冷處理時(shí)在液氮和高溫介質(zhì)中存在一個(gè)最佳保溫時(shí)間段，如圖2。

圖2 溫度對(duì)消除應(yīng)力的影響

2.2 循環(huán)次數(shù)對(duì)消除應(yīng)力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，深冷處理的次數(shù)對(duì)應(yīng)力的消除有影響（如圖3），第一次循環(huán)效果最為顯著，第2、3次循環(huán)應(yīng)力消除增強(qiáng)效果已不明顯，再增加循環(huán)次數(shù)已無(wú)必要。為保證殘余應(yīng)力消除的效果最好進(jìn)行兩次深冷處理。因?yàn)榻?jīng)二次深冷可以最大限度地改善材料的力學(xué)性能，細(xì)化晶粒，經(jīng)二次深冷后，材料的組織將不再發(fā)生變化。

圖3 循環(huán)次數(shù)對(duì)消除應(yīng)力的影響

3 深冷處理機(jī)理

3.1 深冷過(guò)程分析

淬火階段初期，表面冷卻速度遠(yuǎn)大于內(nèi)部，必然導(dǎo)致表面收縮速度大于內(nèi)部，表面就會(huì)受到內(nèi)部材料的拘束而呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，與此相反，內(nèi)部受到來(lái)自外表面的壓應(yīng)力，伴隨淬火狀態(tài)的繼續(xù)深入，內(nèi)部冷卻速度逐漸增大并超過(guò)表面冷卻速度，導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)反轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)“外壓內(nèi)拉”狀態(tài)。

液氮降溫前期，表面冷速比內(nèi)部快，因而表面收縮速度大于內(nèi)部收縮速度，表面就會(huì)受到來(lái)自內(nèi)部材料的拘束呈拉應(yīng)力狀態(tài)，與此相反，內(nèi)部受到來(lái)自表面給它的壓應(yīng)力，呈“外拉內(nèi)壓”狀態(tài)，與淬火后的“外壓內(nèi)拉”式的殘余應(yīng)力分布相反，相互抵消，所以液氮降溫開始階段應(yīng)力變小，隨著降溫的繼續(xù)進(jìn)行，內(nèi)部冷卻速度逐漸增大超過(guò)表面冷卻速度，產(chǎn)生“外壓內(nèi)拉”的熱應(yīng)力，抵消了開始階段產(chǎn)生的“外拉內(nèi)壓”的熱應(yīng)力，與淬火后的“外壓內(nèi)拉”式的殘余應(yīng)力疊加，故應(yīng)力逐漸增大，最終仍呈現(xiàn)“外壓內(nèi)拉”分布，此階段冷卻緩慢，其值比淬火結(jié)束時(shí)略大。

反淬火加熱階段初，內(nèi)部升溫速度逐漸增大超過(guò)表面升溫速度，產(chǎn)生“外拉內(nèi)壓”的熱應(yīng)力，抵消了開始階段產(chǎn)生的“外壓內(nèi)拉”的應(yīng)力，與液氮降溫后的“外壓內(nèi)拉”分布相反，應(yīng)力逐漸變小，是消除殘余應(yīng)力的主要階段。

空冷階段與液氮降溫階段相似，即開始產(chǎn)生“外拉內(nèi)壓”的熱應(yīng)力，伴隨降溫的深入，產(chǎn)生“外壓內(nèi)拉”的熱應(yīng)力，所以應(yīng)力先變小后增大，但由于內(nèi)外溫差不大，冷速較小，所以其應(yīng)力增長(zhǎng)不大。

3.2 機(jī)理分析

3.2.1 晶粒細(xì)化

深冷處理使組織晶粒細(xì)化，類似于碳鋼的從馬氏體中析出超細(xì)碳化物，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，從而使工件的強(qiáng)度和韌性有很大提高。深冷處理后體積收縮，晶格常數(shù)有縮小趨勢(shì)，同時(shí)晶粒細(xì)化使試件有更大的尺寸收縮，造成較大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生更多的缺陷及內(nèi)能的增大。殘余應(yīng)力與原子動(dòng)能深冷過(guò)程中容易在工件缺陷（微孔）、內(nèi)應(yīng)力集中的部位及空位表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，它可以減小缺陷對(duì)材料局部強(qiáng)度的損害，導(dǎo)致磨料磨損抗力的提高。由于原子間既存在相互吸引的結(jié)合力，又存在使之分離的動(dòng)能，深冷處理轉(zhuǎn)移了原子間的部分動(dòng)能，使原子之間的結(jié)合更緊密，提高了材料的強(qiáng)度和韌性，起到緩和殘余應(yīng)力效果[3]。

3.2.2 晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)

鋁合金深冷處理過(guò)程中由于體積收縮使得材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)和亞晶等，在深冷回復(fù)過(guò)程中鋁合金產(chǎn)生了回復(fù)再結(jié)晶，鋁合金的晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，擇優(yōu)取向形成了再結(jié)晶織構(gòu)。結(jié)果使得鋁合金晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擇優(yōu)取向，當(dāng)晶粒的這種擇優(yōu)取向有利于阻礙位錯(cuò)滑移時(shí)，材料的強(qiáng)度性能、使用壽命、尺寸穩(wěn)定性得以提高。

4 結(jié)論

鋁合金深冷處理能在很大程度上消除殘余應(yīng)力，提高工件的尺寸穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，深冷介質(zhì)中停留時(shí)間對(duì)應(yīng)力消除有一定影響，高溫有機(jī)介質(zhì)中保溫時(shí)間對(duì)應(yīng)力消除效果影響很大。與加熱階段的溫差越大，應(yīng)力消除越徹底；深冷急熱循環(huán)兩次對(duì)殘余應(yīng)力消除效果較好，繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)意義不大。深冷處理的機(jī)理是：深冷處理的不同階段，內(nèi)外部的應(yīng)力狀態(tài)不同，應(yīng)力作用效果可以部分相互抵消，起到消除殘余應(yīng)力的作用。同時(shí)工件內(nèi)部產(chǎn)生了晶粒細(xì)化和擇優(yōu)轉(zhuǎn)動(dòng)，也起到了緩和應(yīng)力的作用。

[1] 顏增品．鋁在汽車輕量化中的作用與前景[J]．世界汽車，1997，28(6)：l 7-21

[2] 邱慶忠．深冷處理技術(shù)在金屬材料中的應(yīng)用[J]．材料研究與應(yīng)用，2007，(6)：150-152

[3] 安麗麗，李士燕．深冷處理對(duì)冷沖壓模具鋼Crl2MoV力學(xué)性能影響的研究[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2003，16(1)：12-13